JPH07244160A - Semiconductor laser digital vibration measuring apparatus - Google Patents
Semiconductor laser digital vibration measuring apparatusInfo
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- JPH07244160A JPH07244160A JP6466394A JP6466394A JPH07244160A JP H07244160 A JPH07244160 A JP H07244160A JP 6466394 A JP6466394 A JP 6466394A JP 6466394 A JP6466394 A JP 6466394A JP H07244160 A JPH07244160 A JP H07244160A
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを用いて
振動する物体の変位を測定する半導体レーザデジタル振
動計測装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser digital vibration measuring apparatus for measuring the displacement of a vibrating object using a semiconductor laser.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体レーザドップラー速度計（ＬＤ
Ｖ）を用いた振動解析装置は、ヘリウムネオンレーザを
用いた装置に比べて光学系が簡単である。最近、自己混
合型半導体レーザと速度方向判別回路などを用いて、光
学系のみならず信号処理系をもさらに簡単化した半導体
レーザデジタル振動変位計測装置が発明され、出願され
ている（特願平５−８３３７４号）。2. Description of the Related Art A semiconductor laser Doppler velocimeter (LD
The vibration analysis device using V) has a simpler optical system than a device using a helium neon laser. Recently, a semiconductor laser digital vibration displacement measuring device has been invented and filed by using a self-mixing type semiconductor laser and a velocity direction discriminating circuit etc. to further simplify not only an optical system but also a signal processing system. 5-83374).
【０００３】前記出願にかかる半導体レーザデジタル振
動計測装置では、任意の非周期振動を測定する場合には
測定可能な振動周波数範囲が制限される。前記装置の構
成と動作を簡単に説明する。図１３は従来技術の半導体
レーザデジタル振動変位計測装置のブロック図、図１４
は図１３に示した振動変位計測装置の動作を説明するた
めの波形図である。図１３において、半導体レーザダイ
オード（ＬＤ）１は、レーザ発振周波数が固定され、半
導体レーザダイオード駆動回路１０からの注入電流でレ
ーザ発光するものであり、注入電流は一定の直流電流で
ある。半導体レーザダイオード（ＬＤ）１の射出光は、
前方へ光学素子（ＬＥ）２を通して対象物（Ｏｂ）３に
照射され、そこからのドップラー周波数偏移した反射光
の一部が半導体レーザダイオード（ＬＤ）１に戻り光と
して帰還し、自己混合効果を発生させる。そして、半導
体レーザダイオード（ＬＤ）１の後方への出射光は、ド
ップラービート信号による出力変動として、受光素子
（ＰＤ）４で電気信号に変換され、増幅回路５により増
幅される。このドップラービート信号は、図１４の
（ａ）に示すような波形となる。自己混合効果により変
位の方向に応じてビート波の傾きが逆転している。その
ビート波の傾きより方向を判断する方向判断回路（ＤＤ
Ｃ：Ｄｉｒｅｃｔ−ｉｏｎ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉ
ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）Ａ１により判断されその出力電
圧は、図１４の（ｂ）に示すように矩形波となる。この
方向判断信号によりドップラービート波のカウンタＡ２
のモードを増加または減少と切り換えることによって、
図１４の（ｎ）に示すような増減する計数値信号を得て
いる。In the semiconductor laser digital vibration measuring device according to the above application, the measurable vibration frequency range is limited when measuring any aperiodic vibration. The configuration and operation of the device will be briefly described. FIG. 13 is a block diagram of a conventional semiconductor laser digital vibration displacement measuring device, and FIG.
FIG. 14 is a waveform diagram for explaining the operation of the vibration displacement measuring device shown in FIG. 13. In FIG. 13, a semiconductor laser diode (LD) 1 has a fixed laser oscillation frequency and emits laser light with an injection current from a semiconductor laser diode drive circuit 10. The injection current is a constant DC current. The light emitted from the semiconductor laser diode (LD) 1 is
The object (Ob) 3 is irradiated to the front through the optical element (LE) 2, and a part of the reflected light having the Doppler frequency shift from the object (Ob) 3 is returned to the semiconductor laser diode (LD) 1 as return light, and the self-mixing effect. Generate. Then, the emitted light to the rear of the semiconductor laser diode (LD) 1 is converted into an electric signal by the light receiving element (PD) 4 as an output fluctuation due to the Doppler beat signal, and is amplified by the amplifier circuit 5. This Doppler beat signal has a waveform as shown in FIG. Due to the self-mixing effect, the slope of the beat wave is reversed depending on the direction of displacement. Direction determination circuit (DD) that determines the direction from the inclination of the beat wave
C: Direct-ion Discriminati
On Circuit) A1 determines its output voltage to be a rectangular wave as shown in FIG. With this direction determination signal, the counter A2 for the Doppler beat wave
By switching the mode of increase or decrease,
The increasing / decreasing count value signal is obtained as shown in (n) of FIG.
【０００４】前記計数値ｎと変位ｘとの関係式は、λを
レーザの発振波長とすると、 ｘ＝（λ／２）・ｎ と表される。この計数値信号（ｎ）は、それを取り込ん
だ演算処理回路９でフィルタ処理することにより図１４
（ｘ）に示す変位情報が得られる。また、計数値信号を
高速フーリエ変換ＦＦＴ処理することで振動スペクトル
解析を行うことができる。なお、図１４は理解を容易に
するために、振動変位が正弦波の場合を例に取って示し
てある。図１３に示されている方向判別回路Ａ１の出力
電圧は時刻ｔ0 ，ｔ1 ，ｔ2 の時点に変化し、カウンタ
Ａ２のモードを加算，減算，加算へと切り換えている。
速度零時刻の検出には低域ろ波器（ＬＰＦ）を用いるの
で、実際には時間遅れを生じ、図１４のｔ0'，ｔ1'，ｔ
2'の時刻にカウンタＡ２のモードを切り換えることにな
る。この遅れ時間が、速度零時刻の直後に最初の鋸歯状
波が発生するまでの時間よりも小さい場合にはカウンタ
回路Ａ２は正しく動作し、変位のデジタル信号を得るこ
とができる。ところが、正弦波振動変位にその周期より
もかなり短い時間内に変化する振動成分が重畳している
ような一般的な非周期振動の場合には、従来のデジタル
振動変位計では測定できない場合がある。この問題を図
１５を参照して説明する。図１５はその１例として、正
弦波振動変位に単発的な速い変化分が重畳している場合
を示す。理想的な場合には方向判別回路Ａ１の出力電圧
は時刻ｔ0 ，ｔ1 ，ｔ2 の他にｔ3 ，ｔ4 で速度零時刻
に対応して変化する。しかし、実際には、速度零時刻検
出の時間遅れのため、方向判別電圧は時刻ｔ0'，ｔ1'，
ｔ2'，ｔ3'，ｔ4'に変化する。時刻ｔ3'は最初の鋸歯状
波の立ち上がりの時刻ｔ5 よりも遅れるので、カウンタ
モードは変化せず、減算のままである。したがって、カ
ウンタＡ２はｔ5 の時刻に１カウント加算すべきである
のに誤って１カウント減算する。時刻ｔ3'からｔ4'の期
間は加算モードであるがカウンタ出力は変化しない。時
刻ｔ4'は、速度零時刻の直後に現れる最初の鋸歯状波の
立ち上がり時刻ｔ6 よりも早いので、方向判別回路Ａ１
の出力電圧は変化して減算モードとなっている。従っ
て、時刻ｔ6 の時に、１カウント減算される。同様にし
て、時刻ｔ7 ，ｔ8 ，ｔ9 で１カウントずつ減算され
る。したがって、カウンタ出力値は図１５のｎに示す破
線の曲線のようになり、正しい値を示さない。一方、方
向判別回路Ａ１が正しく動作した場合のカウンタ出力値
は図１５のｎに示す実線となり、変位出力値はｘに示す
実線の曲線となる。ｘに示す破線の曲線は誤動作した時
の変位出力値を示す。The relational expression between the count value n and the displacement x is expressed as x = (λ / 2) · n, where λ is the oscillation wavelength of the laser. This count value signal (n) is filtered by the arithmetic processing circuit 9 which takes in the count value signal (n).
The displacement information shown in (x) is obtained. Further, the vibration spectrum analysis can be performed by subjecting the count value signal to the fast Fourier transform FFT processing. Note that FIG. 14 shows the case where the vibration displacement is a sine wave as an example for easy understanding. The output voltage of the direction discriminating circuit A1 shown in FIG. 13 changes at times t 0 , t 1 , and t 2 , and the mode of the counter A2 is switched to addition, subtraction, and addition.
Since the low-pass filter (LPF) is used to detect the zero speed time, a time delay actually occurs, and t 0 ′, t 1 ′, t in FIG.
At the time of 2 ', the mode of the counter A2 will be switched. If this delay time is shorter than the time until the first sawtooth wave is generated immediately after the time of zero velocity, the counter circuit A2 operates correctly and a displacement digital signal can be obtained. However, in the case of general aperiodic vibration in which a vibration component that changes within a time considerably shorter than the cycle is superimposed on the sinusoidal vibration displacement, it may not be possible to measure with a conventional digital vibration displacement meter. . This problem will be described with reference to FIG. FIG. 15 shows, as an example thereof, a case where a single rapid change is superimposed on a sinusoidal vibration displacement. In an ideal case, the output voltage of the direction discriminating circuit A1 changes at times t 0 , t 1 and t 2 as well as at times t 3 and t 4 in accordance with the speed zero time. However, in reality, due to the time delay of the zero speed time detection, the direction determination voltages are the time t 0 ', t 1 ',
t 2 ', t 3', changes to t 4 '. Since the time t 3 'is later than the time t 5 at which the first sawtooth wave rises, the counter mode does not change and remains subtracted. Thus, the counter A2 is 1 counts subtracted incorrectly to 1 should be counted added to time t 5. Period 't 4 from' time t 3 is the addition mode is counter output is not changed. Since the time t 4 'is earlier than the rising time t 6 of the first sawtooth wave that appears immediately after the zero speed time, the direction determining circuit A1
Output voltage changes and is in the subtraction mode. Thus, at time t 6, is one count subtraction. Similarly, the counts are decremented one by one at times t 7 , t 8 and t 9 . Therefore, the counter output value becomes like the broken line curve indicated by n in FIG. 15, and does not show a correct value. On the other hand, when the direction determining circuit A1 operates correctly, the counter output value becomes a solid line indicated by n in FIG. 15, and the displacement output value becomes a solid line curve indicated by x. The broken line curve indicated by x indicates the displacement output value when a malfunction occurs.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】すなわち、前記の従来
の半導体レーザデジタル振動計測装置は、ドップラービ
ート波の波数を計数するカウンタ回路と、カウンタのモ
ードを変える方向判別回路の機能が分離していたため、
速い変化をする振動変位が低周波振動変化に重畳してい
る場合には、正確な測定ができないという問題がある。
本発明の主たる目的は、前記問題を解決し、周波数範囲
の広い高周波非周期振動を測定することのできる半導体
レーザデジタル振動計測装置を提供することにある。本
発明のさらに他の目的は、前記半導体レーザデジタル振
動計測装置を複数用いて複数の振動情報を同時に取得し
て解析することができる半導体レーザデジタル振動計測
装置を提供することにある。That is, in the conventional semiconductor laser digital vibration measuring apparatus described above, the functions of the counter circuit for counting the number of Doppler beat waves and the direction discriminating circuit for changing the mode of the counter are separated. ,
When the vibration displacement that changes rapidly is superimposed on the low frequency vibration change, there is a problem that accurate measurement cannot be performed.
A main object of the present invention is to provide a semiconductor laser digital vibration measuring device which can solve the above-mentioned problems and can measure a high frequency aperiodic vibration having a wide frequency range. Still another object of the present invention is to provide a semiconductor laser digital vibration measuring device capable of simultaneously acquiring and analyzing a plurality of vibration information by using a plurality of the semiconductor laser digital vibration measuring devices.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置
は、半導体レーザを用いて振動する物体の変位を測定す
る半導体レーザデジタル振動計測装置であって、レーザ
発振周波数が固定された半導体レーザと、前記半導体レ
ーザに電流を供給する駆動回路と、前記半導体レーザの
射出光を対象物の表面に照射し、その反射光の一部が戻
り光として前記半導体レーザに結合するように配置され
た光学装置と、前記対象物の振動変位に関係して生ずる
半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子と、前記
受光素子出力から信号成分を増幅する増幅回路と、前記
増幅回路の出力の振幅を一定に保つ自動振幅制御回路
と、前記自動振幅制御回路出力のドップラービート波の
１波ごとに正または負の振動変位に応じてアップまたは
ダウンカウント用信号を発生するカウント用信号発生回
路と、前記カウント用信号発生回路からのパルスを計数
するバイナリーカウンタと、前記バイナリーカウンタ回
路の計数値を記憶し前記振動変位を演算する演算処理回
路とから構成されている。前記カウント用信号発生回路
を、対象物の移動方向により前記自動振幅制御回路出力
のドップラービート波の傾きの大きさが異なることを利
用して正または負の振動変位に応じてアップまたはダウ
ンカウント用信号を発生するように構成することができ
る。また、前述の半導体レーザデジタル振動計測装置複
数組を利用して２以上の振動情報を同時に取得する半導
体レーザデジタル振動計測装置を構成することができ
る。In order to achieve the above object, a semiconductor laser digital vibration measuring device according to the present invention is a semiconductor laser digital vibration measuring device for measuring displacement of an oscillating object using a semiconductor laser. A semiconductor laser having a fixed laser oscillation frequency, a drive circuit for supplying a current to the semiconductor laser, and a surface of an object irradiated with the light emitted from the semiconductor laser, and a part of the reflected light as return light. An optical device arranged so as to be coupled to a semiconductor laser, a light receiving element for detecting a change in the output of the semiconductor laser caused by the vibration displacement of the object, and an amplifier circuit for amplifying a signal component from the light receiving element output. An automatic amplitude control circuit for keeping the amplitude of the output of the amplifier circuit constant, and positive or negative for each Doppler beat wave of the output of the automatic amplitude control circuit. The counting signal generating circuit for generating an up or down counting signal according to the vibration displacement, the binary counter for counting the pulses from the counting signal generating circuit, and the vibration displacement for storing the count value of the binary counter circuit. And an arithmetic processing circuit for calculating The counting signal generating circuit is used for counting up or down according to positive or negative vibration displacement by utilizing that the magnitude of the slope of the Doppler beat wave of the output of the automatic amplitude control circuit is different depending on the moving direction of the object. It can be configured to generate a signal. Further, it is possible to configure a semiconductor laser digital vibration measuring apparatus that simultaneously acquires two or more pieces of vibration information by using a plurality of sets of the semiconductor laser digital vibration measuring apparatus described above.
【０００７】[0007]
【実施例】以下、本発明を図面等を参照してさらに詳し
く説明する。図１は本発明による半導体レーザデジタル
振動計測装置の実施例を示すブロック図、図２は図１に
示す実施例の動作を説明するための波形図である。図１
において、半導体レーザダイオード（ＬＤ）１は、レー
ザ発振周波数が固定され、半導体レーザダイオード駆動
回路１０からの注入電流でレーザ発光するものであり、
注入電流は、一定の直流電流である。光学装置を形成す
る光学素子（ＬＥ）２は、半導体レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）１の射出光を対象物（Ｏｂ）３の表面に照射し、そ
の反射光の一部が戻り光として半導体レーザダイオード
（ＬＤ）１に結合するように配置されている。受光素子
（ＰＤ）４は、対象物（Ｏｂ）３の振動変位に関係して
生ずる半導体レーザの出力の変化を検出するものであ
る。増幅回路５は、受光素子（ＰＤ）４の出力から信号
成分を増幅するものである。自動振幅制御回路６は、対
象物（Ｏｂ）３の異なる表面を照射した場合に戻り光の
電力が変化して受光素子４の出力が変化した場合にも一
定の振幅のビート波出力が得られるように、自動制御す
る回路である。カウント用信号発生回路７は、自動振幅
制御回路６の出力のドップラービート波の１つの波数ご
とに計数用のパルス１個を出力する回路である。マイナ
スの変位、すなわち物体３の表面が半導体レーザ１から
遠ざかる場合には、カウント用信号発生回路７のダウン
カウント用信号出力端子ｂから鋸歯状波１波ごとに１個
のパルスが出力される。同様に、プラスの変位の場合に
はカウント用信号発生回路７のアップカウント用信号出
力端子Ｃから鋸歯状波１波ごとに１個のパルスが出力さ
れる。バイナリーカウンタ８は、上記のアップカウント
信号パルスを加算し、ダウンカウントパルスを減算して
計数値信号を出力する。演算処理回路９はバイナリーカ
ウンタ回路８の計数値を記憶し対象物（Ｏｂ）３の振動
変位を演算するものである。The present invention will be described in more detail below with reference to the drawings. 1 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor laser digital vibration measuring device according to the present invention, and FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. Figure 1
In the semiconductor laser diode (LD) 1, the laser oscillation frequency is fixed, and laser light is emitted by the injection current from the semiconductor laser diode drive circuit 10.
The injection current is a constant direct current. The optical element (LE) 2 forming the optical device is a semiconductor laser diode (L).
The surface of the object (Ob) 3 is irradiated with the emitted light of D) 1 and a part of the reflected light is arranged to be coupled back to the semiconductor laser diode (LD) 1. The light receiving element (PD) 4 detects a change in the output of the semiconductor laser caused by the vibration displacement of the object (Ob) 3. The amplifier circuit 5 amplifies a signal component from the output of the light receiving element (PD) 4. The automatic amplitude control circuit 6 can obtain a beat wave output having a constant amplitude even when the power of the returning light changes and the output of the light receiving element 4 changes when the different surfaces of the object (Ob) 3 are irradiated. As such, it is a circuit for automatic control. The counting signal generation circuit 7 is a circuit that outputs one counting pulse for each number of Doppler beat waves output from the automatic amplitude control circuit 6. When the displacement is negative, that is, when the surface of the object 3 moves away from the semiconductor laser 1, one pulse is output for each sawtooth wave from the down count signal output terminal b of the count signal generation circuit 7. Similarly, in the case of a positive displacement, one pulse is output for each sawtooth wave from the upcount signal output terminal C of the count signal generation circuit 7. The binary counter 8 adds the up-count signal pulse and subtracts the down-count pulse to output a count value signal. The arithmetic processing circuit 9 stores the count value of the binary counter circuit 8 and calculates the vibration displacement of the object (Ob) 3.
【０００８】次に、前記半導体レーザデジタル振動計測
装置のカウント用信号発生回路７の詳細な構成を図３、
図４を参照して説明する。図４は図３に示す実施例の動
作を説明するための波形図である。図４において、自動
振幅制御回路６の出力波形（ａ）は振幅が一定に保持さ
れており、振動変位が正の場合には鋸歯状波の立ち上が
りが急であり、立ち下がりは緩やかである。一方、振動
変位が負の場合には鋸歯状波の立ち下がりが急であり、
立ち上がりが緩やかである。図３に示すカウント用信号
発生回路７の３個のコンパレータ７１，７２，７３の基
準レベルＶref をそれぞれＶh ，Ｖg ，Ｖl と設定す
る。まず、プラス変位の場合にのみ、１個の鋸歯状波に
対して加算用の１カウントパルスが得られることを説明
する。自動振幅制御回路６は振幅検出器６１と利得制御
増幅器６２から構成されている。この自動振幅制御回路
６の出力波形（ａ）のレベルがＶref ＝Ｖl に達すると
コンパレータ７３がオンする。このときのポジティブエ
ッジでポジティブシングルショット７７が幅Ｔｗ１の単
発パルス（ｅ）をその出力端子に発生する。続いて、
（ａ）のレベルがＶref ＝Ｖg に達すると、同様にコン
パレータ７２がオンし、このときのポジティブエッジで
ポジティブシングルショット７６のみが幅Ｔｗ１の単発
パルス（ｄ）をその出力端子に発生する。この２つの単
発パルス（ｄ）と（ｅ）の論理積をアンド回路（ＡＮＤ
１）７９で発生させると、幅の狭い単発パルス（Ｃ）が
出力端子に得られる。したがって、信号（ａ）がＶref
＝Ｖl とＶref ＝Ｖg を横切る時間差がほとんどないよ
うなとき、プラスの１カウントパルスがＣ端子で得られ
る。一方、信号（ａ）が緩やかに立ち下がるときには、
Ｖref ＝Ｖh でネガティブシングルショット７４が幅Ｔ
ｗ２の単発パルス（ｆ）をその出力端子に発生し、Ｖ
ref ＝Ｖg でネガティブシングルショット７５が幅Ｔｗ
２の単発パルス（ｇ）をその端子に発生する。この２つ
の単発パルス（ｆ）と（ｇ）は信号（ａ）が緩やかに立
ち下がるときには、重なる時間帯がないので、アンド回
路（ＡＮＤ２）７８でその積をとっても零になり、出力
端子に出力は生じない。すなわち、この場合にはダウン
カウントパルスを発生しない。Next, a detailed configuration of the counting signal generating circuit 7 of the semiconductor laser digital vibration measuring device is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. In FIG. 4, the output waveform (a) of the automatic amplitude control circuit 6 has a constant amplitude, and when the vibration displacement is positive, the sawtooth wave has a steep rise and a gentle fall. On the other hand, when the vibration displacement is negative, the falling edge of the sawtooth wave is steep,
The rise is gentle. The reference levels V ref of the three comparators 71, 72, 73 of the counting signal generating circuit 7 shown in FIG. 3 are set to V h , V g , and V l , respectively. First, it will be described that only one count pulse for addition can be obtained for one sawtooth wave only in the case of positive displacement. The automatic amplitude control circuit 6 is composed of an amplitude detector 61 and a gain control amplifier 62. When the level of the output waveform (a) of the automatic amplitude control circuit 6 reaches V ref = V l , the comparator 73 is turned on. At the positive edge at this time, the positive single shot 77 generates a single pulse (e) having a width Tw1 at its output terminal. continue,
When the level of (a) reaches V ref = V g , the comparator 72 is similarly turned on, and only the positive single shot 76 generates a single pulse (d) of width Tw1 at its output terminal at the positive edge at this time. . An AND circuit (AND) calculates the logical product of these two single-shot pulses (d) and (e).
1) When generated at 79, a narrow single pulse (C) is obtained at the output terminal. Therefore, the signal (a) becomes V ref
= Time V l and V ref = V g as little time difference across, plus one count pulse is obtained at the C terminal. On the other hand, when the signal (a) falls gently,
Negative single shot 74 has width T at V ref = V h
A single pulse (f) of w2 is generated at its output terminal, and V
Ref = V g , negative single shot 75 has width Tw
Two single-shot pulses (g) are generated at that terminal. These two single-shot pulses (f) and (g) have no overlapping time zone when the signal (a) falls gently, so that the product of the AND circuit (AND2) 78 becomes zero and output to the output terminal. Does not occur. That is, in this case, the down count pulse is not generated.
【０００９】次に、マイナス変位の場合にのみ、減算用
の１カウントパルスが得られることを説明する。立ち下
がりが急の場合には、まず、Ｖref ＝Ｖh になった時、
ネガティブエッジが第１のコンパレータ７１で発生し、
第１のネガティブシングルショット７４の出力端子にお
いて幅Ｔｗ２の単発パルス（ｆ）が発生する。続いてＶ
ref ＝Ｖg になったとき、コンパレータ７２がネガティ
ブエッジを発生し、第２のネガティブシングルショット
７５の出力端子に幅Ｔｗ２の単発パルス（ｇ）が発生す
る。この２つのパルス（ｆ）と（ｇ）は時間帯が重なっ
ているので、アンド回路（ＡＮＤ２）７８の出力端子に
細いパルス（ｂ）すなわちダウンカウントパルス１個が
発生する。なお、緩やかな立ち上がり部分では図４に示
すように、ポジティブシングルショット７６の出力端子
とポジティブシングルショット７７の出力端子にそれぞ
れ幅Ｔｗ１の単発パルス（ｄ）と（ｅ）を発生するが、
（ｄ）と（ｅ）は離れているのでその積は零となり、ア
ップカウントパルスは現れない。すなわち、カウント用
信号発生回路７は、振幅を一定に保持されたビート信号
に含まれる鋸歯状波の１波ごとに、正負の変位に応じて
加算または減算用の１カウントパルスを発生することが
できる。Next, it will be explained that the one count pulse for subtraction can be obtained only in the case of the negative displacement. When the fall is sudden, first, when V ref = V h ,
A negative edge occurs in the first comparator 71,
A single pulse (f) having a width Tw2 is generated at the output terminal of the first negative single shot 74. Then V
When ref = V g , the comparator 72 generates a negative edge, and a single pulse (g) of width Tw2 is generated at the output terminal of the second negative single shot 75. Since these two pulses (f) and (g) overlap in time zone, a thin pulse (b), that is, one down-count pulse is generated at the output terminal of the AND circuit (AND2) 78. In the gentle rising portion, as shown in FIG. 4, single-shot pulses (d) and (e) of width Tw1 are generated at the output terminal of the positive single shot 76 and the output terminal of the positive single shot 77, respectively.
Since (d) and (e) are separated from each other, the product becomes zero and the up-count pulse does not appear. That is, the count signal generation circuit 7 can generate one count pulse for addition or subtraction according to positive or negative displacement for each sawtooth wave included in the beat signal whose amplitude is held constant. it can.
【００１０】図５に、前記半導体レーザデジタル振動計
測装置の実施例装置で非定常信号でラウドスピーカを駆
動してその振動面に光ビートをスポット照射して得られ
たときのドップラービート波形（ａ）と駆動信号波形
（Ｐ）を示す。図６にドップラービート波形（ａ）の計
数結果（ｎ）を示す。ラウドスピーカ表面の変位振動波
形（ｘ）は、駆動信号波形（Ｐ）に比例しているはずで
ある。図６の計数結果（ｎ）は駆動信号波形（Ｐ）の特
徴をよく表しており、計数結果（ｎ）は変位振動波形
（ｘ）を再現しているものと言える。図６の計数結果を
微分すれば速度波形が、さらにもう一回微分すれば加速
度波形が得られる。さらに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）
処理すれば、変位波形、速度波形、加速度波形の周波数
スペクトルが得られる。FIG. 5 shows a Doppler beat waveform (a) obtained by driving a loudspeaker with an unsteady signal and spot-irradiating an optical beat on the vibrating surface of the loudspeaker in the embodiment of the semiconductor laser digital vibration measuring apparatus. ) And a drive signal waveform (P) are shown. FIG. 6 shows the counting result (n) of the Doppler beat waveform (a). The displacement vibration waveform (x) on the surface of the loudspeaker should be proportional to the drive signal waveform (P). It can be said that the counting result (n) in FIG. 6 well represents the characteristics of the drive signal waveform (P), and the counting result (n) reproduces the displacement vibration waveform (x). The velocity waveform is obtained by differentiating the counting result of FIG. 6, and the acceleration waveform is obtained by differentiating it once more. Fast Fourier transform (FFT)
By processing, frequency spectra of displacement waveform, velocity waveform, and acceleration waveform can be obtained.
【００１１】本発明による半導体レーザデジタル振動計
測装置を利用して振動物体表面の２点の変位振動波形を
同時に測定するシステムを構成することができる。図７
に２点の変位振動波形の同時測定のための実施例のブロ
ック図を示す。この装置は、前述した実施例の主要部を
（ＣＨ１，ＣＨ２）の２チャンネル構成で使用し、２点
の変位振動波形同時測定システムを構成したものであ
る。被測定振動物体（Ｏｂ）は、ラウドスピーカ表面に
取り付けたアルミニウム箔である。このラウドスピーカ
はスピーカドライバの駆動信号により駆動される。ＳＭ
Ｌはセルフォックマイクロレンズでそれぞれ各チャンネ
ルの光学装置を形成している。自己混合型の半導体レー
ザ（ＬＤ）２個を用い、それぞれに対応させられている
ホトダイオード（ＰＤ）の出力を増幅器（ＡＭＰ）を通
してそれぞれのカウンタ回路に入力する。このカウンタ
回路は図１、および図３に示した自動振幅制御回路６、
カウント用信号発生回路７およびバイナリーカウンタ８
と同様の構成を備えるものである。各チャンネルから得
られたカウント値（ｎ1 ），（ｎ2 ）はバッファメモリ
に取り込んでから、インターフェースボードを通してコ
ンピュータ（演算処理回路）に取り込み、演算を行う。A system for simultaneously measuring displacement vibration waveforms at two points on the surface of a vibrating object can be constructed by using the semiconductor laser digital vibration measuring device according to the present invention. Figure 7
A block diagram of an embodiment for simultaneous measurement of displacement vibration waveforms at two points is shown in FIG. This apparatus uses the main part of the above-mentioned embodiment in a two-channel configuration of (CH1, CH2) and constitutes a displacement vibration waveform simultaneous measurement system of two points. The measured vibrating object (Ob) is an aluminum foil attached to the surface of the loudspeaker. The loudspeaker is driven by the drive signal of the speaker driver. SM
L is a SELFOC microlens forming an optical device for each channel. Two self-mixing type semiconductor lasers (LD) are used, and the outputs of the photodiodes (PD) corresponding to each are input to each counter circuit through an amplifier (AMP). This counter circuit is the automatic amplitude control circuit 6 shown in FIG. 1 and FIG.
Counting signal generating circuit 7 and binary counter 8
It has the same configuration as the above. The count values (n 1 ) and (n 2 ) obtained from each channel are loaded into a buffer memory and then loaded into a computer (arithmetic processing circuit) through an interface board to perform computation.
【００１２】図８に、２点同時刻のドップラービート波
の（ａ1 ）, （ａ2 ）とスピーカ駆動電圧（ｐ）を示
す。波形（ａ1 ）はビート周波数が高いので、変位振幅
が大きいことを示している。図９に、同時刻に測定した
２点のドップラービート波の計数値（ｎ1 ）と（ｎ2）
の波形図を示す。図１０に（ｎ1 ）と（ｎ2 ）から求め
た２点の変位波形を示す。変位のピークツーピークの振
幅は（ｘ1 ）と（ｘ2 ）でそれぞれ１１．３μｍと６．
６μｍである。ただし、移動平均法を用いて平滑化点数
９個で平均化を行った結果である。なお、変位の時系列
データを平滑化微分することで加速度波形を得ることが
できる。また、各変位波形、速度波形、加速度波形に
（ＦＦＴ）演算処理することで各波形の周波数スペクト
ルを求めることができる。図１１に、図１０の変位波形
（ｘ1 ），（ｘ2 ）から求めた周波数スペクトルを示
す。基本波周波数は４９０Ｈｚであり周波数分解能の誤
差の範囲で駆動電圧Ｐの周波数４６５Ｈｚと一致する。
第２、第３高調波の存在も正確に測定していることが判
る。図１２にチャンネル２の変位波形（ｘ2 ）の各周波
数成分がチャンネル１の変位波形（ｘ1 ）の各周波数成
分に対して有する位相の差を周波数の関数として示す。
チャンネル２の基本波はπラジアン、第２，第３高調波
は約−０．９πラジアンの位相差をチャンネル１の対応
した周波数成分に対して有する。FIG. 8 shows (a 1 ) and (a 2 ) of the Doppler beat wave and the speaker driving voltage (p) at the same time at two points. The waveform (a 1 ) shows that the displacement frequency is large because the beat frequency is high. Fig. 9 shows the count values (n 1 ) and (n 2 ) of two Doppler beat waves measured at the same time.
The waveform diagram of is shown. FIG. 10 shows displacement waveforms at two points obtained from (n 1 ) and (n 2 ). The peak-to-peak displacement amplitudes are (x 1 ) and (x 2 ) 11.3 μm and 6.
It is 6 μm. However, this is the result of averaging with 9 smoothing points using the moving average method. An acceleration waveform can be obtained by smoothing and differentiating the displacement time series data. Further, the frequency spectrum of each waveform can be obtained by performing (FFT) calculation processing on each displacement waveform, velocity waveform, and acceleration waveform. FIG. 11 shows a frequency spectrum obtained from the displacement waveforms (x 1 ) and (x 2 ) shown in FIG. The fundamental wave frequency is 490 Hz, which matches the frequency 465 Hz of the drive voltage P within the error range of the frequency resolution.
It can be seen that the presence of the second and third harmonics is also accurately measured. FIG. 12 shows the phase difference of each frequency component of the displacement waveform (x 2 ) of channel 2 with respect to each frequency component of the displacement waveform (x 1 ) of channel 1 as a function of frequency.
The fundamental wave of channel 2 has a phase difference of π radians, and the second and third harmonics have a phase difference of about -0.9π radian with respect to the corresponding frequency component of channel 1.
【００１３】[0013]
【発明の効果】以上、詳しく説明したように本発明によ
る半導体レーザデジタル振動計測装置は、レーザ発振周
波数が固定された半導体レーザと、前記半導体レーザに
電流を供給する駆動回路と、前記半導体レーザの射出光
を対象物の表面に照射し、その反射光の一部が戻り光と
して前記半導体レーザに結合するように配置された光学
装置と、前記対象物の振動変位に関係して生ずる半導体
レーザの出力の変化を検出する受光素子で構成したの
で、光学系の部分で周波数シフタと光分岐路および鏡を
用いずに構成することができ、光学系の構成を簡素化す
ることができる。また、前記受光素子出力から信号成分
を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力のドップラ
ービート波の振幅を一定に保つ自動振幅制御回路と、前
記自動振幅制御回路出力のドップラービート波の１波ご
とに正または負の振動変位に応じてアップまたはダウン
カウント用信号を発生するカウント用信号発生回路と、
前記カウント用信号発生回路からのパルスを計数するバ
イナリーカウンタと、前記バイナリーカウンタ回路の計
数値を記憶し、前記振動変位を演算する演算処理回路と
から構成したので、周波数範囲の広い高周波非同期振動
を測定することができる。また本発明のデジタル振動計
測装置を多数用いれば、多数点の変位振動波形を同時に
計測できる。すなわち本発明による半導体レーザデジタ
ル振動計測装置は振動面の振動モードの解析やその周波
数特性の測定などに広く利用できる。As described above in detail, the semiconductor laser digital vibration measuring apparatus according to the present invention includes a semiconductor laser having a fixed laser oscillation frequency, a drive circuit for supplying a current to the semiconductor laser, and a semiconductor laser of the semiconductor laser. An optical device arranged so as to irradiate the surface of an object with emitted light, and a part of the reflected light is coupled to the semiconductor laser as return light, and a semiconductor laser generated in relation to the vibration displacement of the object. Since the light receiving element for detecting the change in the output is used, the optical system can be configured without using the frequency shifter, the optical branch path, and the mirror, and the configuration of the optical system can be simplified. Also, an amplification circuit for amplifying a signal component from the light receiving element output, an automatic amplitude control circuit for keeping the amplitude of the Doppler beat wave of the output of the amplification circuit constant, and one wave of the Doppler beat wave of the automatic amplitude control circuit output. A count signal generation circuit for generating an up or down count signal according to each positive or negative vibration displacement,
Since the binary counter that counts the pulses from the counting signal generating circuit and the arithmetic processing circuit that stores the count value of the binary counter circuit and calculates the vibration displacement, a high frequency asynchronous vibration with a wide frequency range is generated. Can be measured. If a large number of digital vibration measuring devices of the present invention are used, displacement vibration waveforms at a large number of points can be measured simultaneously. That is, the semiconductor laser digital vibration measuring device according to the present invention can be widely used for analysis of the vibration mode of the vibration surface and measurement of its frequency characteristic.
【図１】本発明による半導体レーザデジタル振動計測装
置の実施例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor laser digital vibration measuring device according to the present invention.
【図２】図１に示した実施例の動作を説明するための波
形図である。FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIG.
【図３】図１に示した実施例のカウント用信号発生回路
の実施例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of a count signal generating circuit of the embodiment shown in FIG.
【図４】図３に示したカウント用信号発生回路の実施例
の動作を説明するための波形図である。FIG. 4 is a waveform chart for explaining the operation of the embodiment of the counting signal generating circuit shown in FIG.
【図５】非定常信号でスピーカを駆動したときのドップ
ラ−ビート波形と駆動信号を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a Doppler beat waveform and a drive signal when a speaker is driven by an unsteady signal.
【図６】図５に示したドップラ−ビート波形（ａ）の計
数結果（ｎ）を示すグラフである。6 is a graph showing a counting result (n) of the Doppler-beat waveform (a) shown in FIG.
【図７】本発明による半導体レーザデジタル振動計測装
置の他の応用的な実施例である。２点の変位振動波形同
時測定システムの実施例を示すブロック図である。FIG. 7 is another applied example of the semiconductor laser digital vibration measuring device according to the present invention. It is a block diagram which shows the Example of a displacement vibration waveform simultaneous measurement system of 2 points.
【図８】図７に示した実施例の動作を説明するための波
形図である。8 is a waveform chart for explaining the operation of the embodiment shown in FIG.
【図９】図７に示した２点の変位振動波形同時測定シス
テムの各点のドップラ−ビート波の計数値（ｎ1)，（ｎ
2)を示すグラフである。9 is a count value (n 1 ), (n 1 ) of the Doppler-beat wave at each point of the simultaneous measurement system of displacement vibration waveforms of 2 points shown in FIG.
2 is a graph showing 2 ).
【図１０】図７に示した２点の変位振動波形同時測定シ
ステムによる２点の変位（ｘ1 ），（ｘ2 ）を示すグラ
フである。10 is a graph showing displacements (x 1 ) and (x 2 ) at two points by the simultaneous displacement vibration waveform simultaneous measurement system at two points shown in FIG. 7.
【図１１】図１０に示した各点の変位（ｘ1 ），
（ｘ2 ）の周波数スペクトルをハンニング窓関数を使用
して計算し、示したグラフである。11 is the displacement (x 1 ) of each point shown in FIG.
6 is a graph showing a frequency spectrum of (x 2 ) calculated by using a Hanning window function.
【図１２】チャンネル２の変位波形（ｘ2 ）に対するチ
ャンネル１の位相差を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the phase difference of channel 1 with respect to the displacement waveform (x 2 ) of channel 2 .
【図１３】先の提案に係る半導体レーザデジタル振動計
測装置の基本構成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing a basic configuration of a semiconductor laser digital vibration measuring device according to the above proposal.
【図１４】図１３に示した半導体レーザデジタル振動計
測装置の基本動作を説明するための波形図である。FIG. 14 is a waveform diagram for explaining a basic operation of the semiconductor laser digital vibration measuring device shown in FIG.
【図１５】図１３に示した半導体レーザデジタル振動計
測装置の問題となる動作を説明するための波形図であ
る。FIG. 15 is a waveform chart for explaining a problematic operation of the semiconductor laser digital vibration measuring device shown in FIG.
１ 半導体レーザ（ＬＤ） ２ 光学装置 ３ 対象物 ４ 受光素子 ５ 増幅回路 ６ 自動振幅制御回路 ７ カウント用信号発生回路 ８ バイナリーカウンタ ９ 演算処理回路 １０ 駆動回路 1 Semiconductor Laser (LD) 2 Optical Device 3 Object 4 Light-Receiving Element 5 Amplifying Circuit 6 Automatic Amplitude Control Circuit 7 Counting Signal Generation Circuit 8 Binary Counter 9 Arithmetic Processing Circuit 10 Driving Circuit
Claims (3)
位を測定する半導体レーザデジタル振動計測装置であっ
て、 レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、 前記半導体レーザに電流を供給する駆動回路と、 前記半導体レーザの射出光を対象物に照射し、その反射
光の一部が戻り光として前記半導体レーザに結合するよ
うに配置された光学装置と、 前記対象物の振動変位に関係して生ずる半導体レーザの
出力の変化を検出する受光素子と、 前記受光素子出力から信号成分を増幅する回路と、 前記増幅回路の出力の振幅を一定に保つ自動振幅制御回
路と、 前記自動振幅制御回路出力のドップラービート波の１波
ごとに正または負の振動変位に応じてアップまたはダウ
ンカウント用信号を発生するカウント用信号発生回路
と、 前記カウント用信号発生回路からのパルスを計数するバ
イナリーカウンタと、 前記バイナリーカウンタ回路の計数値を記憶し前記振動
変位を演算する演算処理回路とから構成した半導体レー
ザデジタル振動変位計測装置。1. A semiconductor laser digital vibration measuring apparatus for measuring displacement of an oscillating object using a semiconductor laser, comprising: a semiconductor laser having a fixed laser oscillation frequency; and a drive circuit for supplying a current to the semiconductor laser. An optical device arranged to irradiate an object with the light emitted from the semiconductor laser and couple a part of the reflected light as return light to the semiconductor laser; A light receiving element that detects a change in the output of the semiconductor laser, a circuit that amplifies a signal component from the light receiving element output, an automatic amplitude control circuit that keeps the amplitude of the output of the amplification circuit constant, and an automatic amplitude control circuit output A count signal generation circuit for generating an up or down count signal according to positive or negative vibration displacement for each Doppler beat wave; Binary counter and a semiconductor laser digital vibration displacement measuring device storing the count value of the binary counter circuit is composed of an arithmetic processing circuit for calculating the vibration displacement for counting the pulses from Preparative signal generation circuit.
移動方向により前記自動振幅制御回路出力のドップラー
ビート波の傾きの大きさが異なることを利用して、正ま
たは負の振動変位に応じてアップまたはダウンカウント
用信号を発生する請求項１記載の半導体レーザデジタル
振動計測装置。2. The counting signal generating circuit utilizes the fact that the magnitude of the slope of the Doppler beat wave output from the automatic amplitude control circuit is different depending on the moving direction of the object, depending on the positive or negative vibration displacement. The semiconductor laser digital vibration measuring device according to claim 1, which generates a signal for up or down counting.
動計測装置複数組を利用して２以上の振動情報を同時に
取得する半導体レーザデジタル振動計測装置。3. A semiconductor laser digital vibration measuring device for simultaneously acquiring two or more pieces of vibration information by using a plurality of sets of the semiconductor laser digital vibration measuring device according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06466394A JP3774751B2 (en) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Semiconductor laser digital vibration measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06466394A JP3774751B2 (en) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Semiconductor laser digital vibration measuring device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07244160A true JPH07244160A (en) | 1995-09-19 |
| JP3774751B2 JP3774751B2 (en) | 2006-05-17 |
Family
ID=13264681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06466394A Expired - Lifetime JP3774751B2 (en) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Semiconductor laser digital vibration measuring device |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3774751B2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008275594A (en) * | 2007-04-03 | 2008-11-13 | Yamatake Corp | Distance/speed meter and distance/speed measurement method |
| JP2008275593A (en) * | 2007-04-03 | 2008-11-13 | Yamatake Corp | Distance/speed meter and distance/speed measurement method |
| CN112291687A (en) * | 2020-11-18 | 2021-01-29 | 广东长虹电子有限公司 | Loudspeaker detection system and detection equipment |
-
1994
- 1994-03-08 JP JP06466394A patent/JP3774751B2/en not_active Expired - Lifetime
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| JP2008275593A (en) * | 2007-04-03 | 2008-11-13 | Yamatake Corp | Distance/speed meter and distance/speed measurement method |
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| JP3774751B2 (en) | 2006-05-17 |
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